智能超材料研究与进展

于相龙，周　济

(清华大学 材料学院 新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084)



特 约

智能超材料研究与进展

于相龙，周济

(清华大学 材料学院 新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084)

本文以智能超材料关键技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋势。根据智能超材料所调控激元的不同，可分为智能电磁超材料，智能机械超材料，智能热学超材料，智能耦合超材料，此外两项关键技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程。这些智能超材料在科学基础研究方面涉及超材料中多物理场耦合机制，新型人工原子与人工分子设计，超材料与自然材料的融合，超材料可调性探索和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域，如微型天线及无线互联，光电磁隐身，医学图像上用的完美成像，航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮，精密仪器制程与片上实验室集成型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势，本文进行了系统性的分类厘清，并分析了其研究现状，给出了我国智能超材料发展的美好愿景。

超材料；光学超材料；机械超材料；热学超材料；智能耦合超材料

智能材料泛指能够感知外界环境并做出响应的材料。智能超材料除具备这一特性外，与传统功能材料不同之处在于，通过特殊的微结构设计来调制电磁波和弹性波，展示出均匀材料所不具备的，新颖奇异的力、热、声、光学性能，尤其是这些性质主要来自人工的、特殊的结构设计。就像新生儿来到这个世界上，从第一眼看见，亲耳听见，亲手去触摸这个世界，直到心灵的感知体悟，人工智能超材料也经历了相似的演进，其源于光学超材料，到声学、热学及力学超材料。之初，人们希望能够像控制固体中电子的传输行为一样来控制和利用光子，使得光子最终能成为一种有用的信息载体。光作为信息载体在传播速率、信息容量以及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术和产业发展中起重要作用，因而如何实现对光子的调控变得尤为重要与紧迫，光学超材料应运而生，图1简略演示光学超材料一些新奇的电磁现象。随着对光学超材料研究的深入，超材料也被拓展到对声和其他元激发的调控领域,如弹性波方面的声学超材料，机械超材料和热学超材料等其他具有奇异特性的智能超材料。结合传统的凝聚态物质材料科学与各种新型微纳米加工技术，面向下一代信息与新能源技术，超材料正成为当今微结构材料科学中新学科的前沿。

图1　光学超材料呈现自然界不曾出现的负折射、超透镜、光学隐身的奇异特性[1-9]Fig.1　Optical metamaterials show some counterintuitive properties: negative refractive index, superlens and optical cloaking[1-9]

鉴于超材料具有高度的可设计性，为发展各类新型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超材料主要是一些被动型材料，如具有超常介电常数、磁导率、折射率的材料等，而在智能材料方面的应用尚待开发。尽管如此，智能超材料所涉及的内容依然很广泛，是一大类新型功能材料的总称，包括一些光学超材料、声学超材料(与弹性振动波相应，用于操纵和利用声子传播)、力学超材料(吸声介质，超黏滞材料)、热学超材料(调控热能的传输与转换)、声子晶体(超高精度控制单个声子，进而对动态温差调控)等。故而，本文尝试着从科学研究、关键技术和新产品应用三个层面，对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清，并概略阐述其在国内外的研究发展状况和趋势。

表1给出了本文在智能超材料基础研究、关键技术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学研究层面上智能超材料的基础研究涉及：(1)超材料中多物理场耦合机制，即利用微结构单元间的多物理场耦合效应去实现超材料的智能响应；(2)新型人工原子与人工分子设计，即通过构造新型功能单元实现超常响应；(3)超材料与自然材料的融合，即利用天然功能材料的智能性质与超几何结构融合，以实现超常现象的探索和设计以及新机制的发现；(4)超材料可调性探索，即基于可变电路、几何结构、材料特性，对施加信号相位、振幅或频率的调制，改变超材料的热、力学和电磁性质；(5)新型传感型超材料探索，即基于超材料对电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性，可用于无标记的生物检测及相关方面的研发。根据微结构单元类型和应用范围的不同，智能超材料的关键技术可分为以下六大重点方向：(1)智能电磁超材料，利用微结构单元类似于计算机的0/1开关属性，进行非周期阵列，以实现编程可控的响应输出；(2)智能机械超材料，三维网状金属固体结构，却类似于理想流体，极易流动，从而实现二维流体的响应性能；(3)智能

表1　智能超材料在科学，技术和新产品应用层面的论述要点Table 1　An outline of smart metamaterials from the aspects of science, technology and products

热学超材料，可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换；(4)智能耦合超材料，基于光子电路，通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与位移矢量调控；(5)智能超材料新型设计与仿真技术；(6)智能超材料制备技术与材料基因工程。最后，在新产品研发应用中，可分为(1)微型天线及无线互联；(2)光电磁隐身；(3)医学图像上用的完美成像；(4)航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮；(5)精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因此，本文将以智能超材料的关键技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要地论述近年来智能超材料的发展现状趋势。

1　智能超材料研究概述

1968年Veselago首次提出“负折射率”的概念[10]，具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜一样，使得平行入射光线汇聚到一点[11]。这与直觉相悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕。超材料正是基于其微结构单元的几何结构与物性，如共振与激发、形状因子与手性等,以及它们空间排列所导致的关联与相互作用，从而实现许多自然材料所没有的，新颖的力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光学电磁超材料，到声学、热学，及现在的机械超材料，超材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热、光机等多物理场耦合，几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介质谐振结构、声波谐振和非谐振人工原子及分子。目前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材料相融合，实现超材料在不同频段的可调性，开发有源器件，从而不断深入地开发出新型的传感型超材料。相应地，超材料的微结构单元设计的任意性，物理过程的多样性，不同尺度的特殊性，派生出来了新型理论设计与仿真技术、制备技术与材料基因工程。鉴于智能超材料的新颖特性，可广泛应用于微型天线及无线互联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不同前沿领域。

1.1智能电磁超材料

智能的电磁波调控又包括数字可编程超材料[12]、计算超材料[13]、光开关超材料[14]。这类智能超材料利用其微结构单元类似于计算机的0/1开关属性，进行非周期阵列，以实现编程可控的响应输出，如图2所示。可记忆超材料[15]则类似于忆阻器，不同的是基于光子电路，通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控，以实现在光电路中可记忆功能元器件的研发。智能电磁超材料涉及电磁多物理场耦合机制，可采用不同的谐振结构单元实现[16]，图3演示了常用作为“人工原子”的亚波长微结构共振单元。

1.2智能机械超材料

机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过程中，可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计。按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料和智能超流体。其中智能超流体，工业技术上又称为“金属水”，其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固体结构，而其剪切模量近似于零，从而实现二维流体的响应性能。最具代表性的五模式材料[18](如图4)，该材料6个分量等效弹性张量中有5个为0的本征值(只有1个非0)，也就是横向几乎没有形变，类似于理想流体，难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜力，科研人员将这一研究成果开发用于海底“无触感”斗篷隐身技术[19]，如图5所示，也有研究者正在研制用于隐身的智能蒙皮材料。

图2　具有0/1开关属性的数字可编程超材料进行智能电磁波调控[12](a)数字超平面0/1构成；(b)结构单元及其响应；(c)，(d)利用两种不同的结构形式去调控光束散射Fig.2　The 1-bit digital metasurface and coding metasurface[12]　(a)consisting of two types of elements: ‘0’ and ‘1’; (b)a square metallic patch unit structure (inset) to realize the ‘0’ and ‘1’ elements and the corresponding phase responses in a range of frequencies;(c),(d) two 1-bit periodic coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequences of ‘0’ and ‘1’ elements

图3　一些人工电磁材料的结构示意图[17]Fig.3　Various 3D photonic-metamaterial structures[17]

图5　“无触感”斗篷隐身技术理念，智能超材料将圆柱 体隐匿起来，使其无法被手指感觉到[19]Fig.5　Illustration of the elasto-mechanical cloak: a rigid hollow cylinder embedded in a homogeneous three-dimensional pentamode metamaterial environment, any object can be placed inside of the hollow interior and thereby becomes “unfeelable”[19]

与此同时，俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行工业化研制，开发了拥有定制化设计的结构和密度分布智能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信号，从而显著提高潜艇的隐身能力。但这种智能超材料并不仅仅是为了使物体隐形，其目的是将物体的物理作用力隐藏起来，使物体无法被人感觉到。这种特别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体晶格，能够使外部施加的压力发生偏转，同时可以转移破坏性较大的地震波[20]。

智能机械超材料种类繁多，目前大部分在研究阶段[21]。在力学上“可编程”的超材料，其实像是一块多孔的橡胶板，经过特殊孔型及拓扑设计，可以在纵向和横向上进行压缩，表现出所谓“负刚度”或是刚度可调的性质。因此，这种智能机械超材料可以有效地吸收能量，可用于减震的汽车保险杠，或是根据不同地形调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料，如反弹陶瓷管制品，在被压缩到50%之后还能反弹复原。这对于脆性氧化铝陶瓷材料来说，将具有相当广泛的应用前景。

1.3智能热学超材料

智能热学超材料是近年来才提出的新型热能利用和调控的智能材料。自然界中的传统材料，其热导系数在空间均匀分布，热量从温度高的一端直线流向温度低的一端，这是人们所熟知的热传导模式。然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通过对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非均匀分布的材料被称为热超材料[22，23]。智能热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分为两大类：控制热流和利用热能；用声子进行信息传输和处理[24]。图6为基于隐热衣研制开发的热伪装器件。

图6　智能热学超材料[25]　(a)热隐身器，中间蓝色人形(或者实验室中采用的铜柱)可被隐身； (b)，(c)热伪装器 (1)概念示意图；(2)物理实现图；(3)实验测量的瞬时温度场简况Fig.6　Thermal metamaterials[25]　(a)thermal cloaking;(b),(c)thermal camouflage；(1) corresponds to conceptual scheme; (2)corresponds to physical realization;(3)experimental measurement of transient temperature profiles

1.4智能耦合超材料与隐身技术

现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。图7为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模型[6]。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合超材料，可实现不同频段，包括可见光的隐身[26]，如图8所示。

图7　基于转换光学的球形隐身[6]　(a)二维截面视图；(b)三维视图Fig.7　Sphere cloaking based on transformation optics[6](a)2D cross section view;(b)3D view

1.5新型传感型超材料与智能蒙皮

智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到拓展，在传感器市场已开展相关技术储备。如Toyota 和BMW 等著名汽车生产商已启动电磁超材料研发。根据Toyota 中心研发实验室的报道，智能电磁超材料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动马达用新型磁性材料和电磁兼容(EMC)中使用的高性能吸收与屏蔽材料中获得推广[27]。Toyota 开发了新型的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线，其具有宽波束扫描、高增益和易生产的优势。此外，LED 头灯和红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图9展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用[28]。美国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感器，无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制能够捕捉不同频率光线的超材料微结构，再加上一些电路板和软件，这部只有传感器的相机就可以进行拍摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮上。

在卫星通信行业，美国Kymeta公司借助智能电磁耦合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态电子扫描对准。在近红外频段，智能热学超材料正在被研究用于控制热量定向辐射。美国Plasmonics公司与美国Sandia国家实验室利用超材料的非朗伯(non-Lambertian) 辐射特性来设计和制作具有方向性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对卫星的热量控制。在能源领域，集成了超材料纳米复合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸收其中的可用频谱，显著提高太阳能转化的效率。在航空航天方面，采用超材料技术的纳米复合材料被用于调控宽角度入射的光线。在全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大的背景下，超材料智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表产品，具有巨大的发展空间和良好的市场前景。

1.6智能超材料制备与基因工程

与自然材料设计一样，超材料也可以从基本结构单元，即材料基因为出发点，对材料的各种物理性质进行精确的计算和预测，揭示其材料的基本参数，或者说是材料基因组合，与宏观物理性质的相关规律[29]。但作为一种新兴的交叉应用科学，超材料的结构单元设计具有很大的任意性，物理过程的多样性，不同尺度的特殊性，使得超材料的计算模拟、材料的制备、实验测量和数据积累非常的庞杂[30]。多种几何结构形式的提出，但未能系统的比较和归纳，缺乏整体的协同创新和数据共享，这一发展模式，极大地限制了超材料向实际应用领域的发展。

图8　智能耦合超材料的超表面隐身衣[26]　(a)以数千块细小的具有负阻抗金属片制成； (b)经计算编程将这些“特异材料”片排列成可以“抓取”微波，并令其路径变弯；(c)进而控制光线Fig.8　Schematics of smart coupled metamaterials[26]　(a)an ultrathin metasurface formed by structured metal (top) combined with lumped negative impedance converters based on complementary metal-oxide semiconductor technology;(b)assembly of an active non-Foster metasurface;(c)a mantle cloak designed for a dielectric infinite cylinder under transverse-magnetic illumination

图9　可在汽车领域应用的工业级超材料[28]Fig.9　Industrial metamaterials available in automobile application[28]

在智能超材料新型设计与仿真中，相当数目的软件用于超材料的设计和计算。但是每个软件都有各自的局限性，只能用于某些特殊条件下的计算。同时，对于不同学科的超材料的研究，材料的制备、表征和测量等实验技术相差很大。针对以上超材料发展的状况，很有必要将超材料纳入材料基因组计划，从而建成完整的超材料高通量的实验平台，将为超材料的理论分析和计算提供实现的技术基础，并为超材料的应用开发提供数据和资料。这将大大加快超材料从基础研究向应用研究的转化速度。

2　智能超材料的国内外发展

2.1国际智能超材料发展现状与趋势

在超材料基础研究方面，随着超材料研究的不断深入，智能超材料越来越广泛地涉及多种物理场的耦合效应，如电磁、机电、光热和光机耦合，实现超材料的智能响应。不仅需要考量几何结构整体，也需要考虑加入了微结构单元中非均匀体系，对机制的探究主要有美国杜克大学Smith团队[31]，新加坡南洋理工大学Singh团队[32]，德国斯图加特大学Giessen团队[33]。对于新型人工原子与人工分子设计，需考量涉及理论结构设计及实验论证的不同方面，美国加州大学伯克利分校张翔团队[34]，德国耶拿大学Lederer团队[35]，英国伦敦大学帝国理工学院Maier团队[36]，相继提出了各种不同的谐振结构形式，如金属基、介质、声波和其他非谐振结构。对于超材料与自然材料相融合的理念[30]，首先由我国清华大学周济团队提出，随后美国爱荷华州立大学Soukoulis团队[37]和德国卡尔斯鲁厄理工学院Rockstuhl团队[38]，先后跟进探索及设计新机制。从现有线性无源系统，美国宾夕法尼亚州立大学[39]，英国南安普敦大学[40]等对电磁超材料进行了可调性的探索。美国德州大学奥斯汀分校Alu团队[26]和德国达姆施塔特工业大学Jakoby团队[41]对新型传感型超材料进行了探索，研究电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性。综合来看，这一领域的基础研究方面，优势的国家有德国、美国、新加坡和英国，优势的机构是德国卡尔斯鲁厄理工学院Wegener团队[17-19]，美国杜克大学Smith团队[1,6,31]，英国伦敦大学[36]。不过目前，智能超材料的研究多转向海内外的华人研究团队，例如我国清华大学[30]，南京大学[9,21]，香港科技大学[42], 复旦大学[43]等及美国加州大学伯克利分校张翔[34]，美国东北大学的Liu[44]，佐治亚理工学院的Cai[45]，新加坡南洋理工大学[32]等科研团队。

在智能超材料的关键技术方面，涉及四大类微结构单元类型，电磁、机械、热学和耦合超材料，以及设计仿真和材料制备两大方面的技术研发。智能电磁超材料，主要研究机构来自美国、新加坡、俄罗斯和英国等国，如美国宾夕法尼亚大学[39]，英国的伦敦大学[36]。相比较，智能机械超材料起步较晚，在2012年由德国的Wegener团队[46]利用激光直写技术制备,由点接触的双锥结构构成。另外，美国华盛顿特区的国家研究中心Layman等[47]从理论上说明了当体模量与弹性模量的比值从较小的100增大至1000时，将从本质上导致弹性斗篷呈现完美的隐性性能。同样的，俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行了拥有定制化设计的结构和密度分布等不同方向的研制开发。智能热学超材料也是近些年才提出的，在2008年我国复旦大学黄吉平团队等[48]将光学隐身的理念推广到热学领域并提出热学隐身衣的设计原理。在实验研究方面，哈佛大学的Sato团队[49]，德国卡尔斯鲁尔工业大学Wegner团队[50]，新加坡国立大学李保文、仇成伟联合团队[51，52]，新加坡南洋理工大学[53]先后独自实现了热屏蔽/热隐身衣功能。在智能耦合超材料方面，有许多研究组正致力于通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与位移矢量调控，如加州理工大学的Painter团队[54]、日本京都大学的Noda团队[55]和德国Ulm大学Unold团队[56]。在智能超材料结构设计仿真和材料制备两大方面关键技术，分别集中在美国亚利桑那大学[57]、法国巴黎第十一大学[58]、印度理工学院[59]，美国普渡大学[60]和德国斯图加特大学[33]。总的说来，智能超材料关键技术的研究机构来自美国、德国，俄罗斯和英国等欧美国家，除智能热学超材料我国处于国际领先地位外，其他关键技术，尤其是智能机械超材料，由于领域内材料制备技术的局限，德国、美国和俄罗斯处于领先地位。

在超材料产品的工业应用方面，主要有Kymeta公司、分形天线系统公司、超材料技术公司、工业企业Haris公司、Kyocera无线公司、EMW等。大型航空航天和国防承包商包括洛克希德马丁公司、波音公司、雷神公司和三星公司。美国杜克大学Smith 团队[1,6,31]在光电磁隐身和医学完美成像，美国斯坦福大学Byer-Fejer团队[61]在精密仪器制程与片上实验室处于领先水平。

2.2国内智能超材料发展现状与水平

我国在智能超材料方向的基础研究和关键技术两方面与世界几乎同步，有相当好的研究基础。较有影响的研究团队包括：南京大学闵乃本、祝世宁、陈延峰等[9,21]在光学超晶格、光学超材料及声子晶体等方面的研究，集中在多种物理场的耦合机制、智能机械超材料、智能耦合超材料、智能超材料制备技术与材料基因工程等方面；香港科技大学的沈平、陈子亭等[62,63]对声超材料的有效介质理论等基础性的研究，体现在新型人工原子与人工分子设计和智能超材料新型设计与仿真技术；中国科学院物理研究所张道中、程丙英、李志远、顾长志等[64-66]进行了光子晶体、等离子体基元超材料、左手材料等领域的研究，如新型传感型超材料探索；清华大学周济等[67,68]在介质基及本征型超材料，尤其在超材料与自然材料的融合[30]，超材料可调性探索，电磁、耦合和设计仿真等关键技术方面都进行了研究。东南大学崔铁军等[12,31]在微波超材料方面的研究，体现在新型人工原子与人工分子设计和数学编程。浙江大学孔金瓯、何赛灵、陈红胜等[69,70]对光学超材料进行了研究。西北工业大学赵晓鹏等[71]对分型超材料进行了研究。此外，西安交通大学徐卓、屈绍波[72]在智能光学超材料方面也做了相当多的探索。

在工业应用方面，我国深圳光启高等理工研究院在国际上首开超材料工业化的先河，该研究院目前拥有国际超材料应用方面70%以上的专利，在智能隐身材料、智能通信系统、超传感等领域已经有一些产业化成果[28]。在超材料标准方面，我国于2013年11月成立了由来自深圳光启高等理工研究院、中航工业集团公司、航天科工集团、清华大学、中国钢研科技集团、工业和信息化部电信研究院、中国标准化研究院、空军装备研究院、公安部第一研究所等单位的专家和学者组成超材料标准化委员会，目前已在国际上首次推出了超材料定义和规范等标准化文件。

总的来说，我国在智能超材料方面的基础研究处于国际先进水平。研究机构正积极开拓超材料研究领域，以南京大学、清华大学、东南大学、西北大学、浙江大学等为代表，在国际上已形成了有一定影响力的研究队伍，相关课题组也做了许多重要的开创性工作，引起了国际学术界的广泛重视。不过，除智能电磁、耦合超材料外，其他方面均处于起步阶段，还有很多基本问题需要研究。以智能超材料制备的核心技术为例，科研基础依然薄弱，我国应加大相关材料的基础研究以及研发升级等领域的投入，并制定相关的政策，从而使我国的智能超材料研发方面在弱势领域中赶超，在强势领域中保持优势。此外，科研成果的产业化水平仍然不高，亟待提高转化效率，缩短科研成果从实验室走向产业应用的时间。为此，应加强相关领域内的高校及科研院所与相关产业企业的合作，积极鼓励科研创新，促使我国企业拥有更多的自主知识产权，从而在相关领域形成国际竞争力。

3　结束语

综上所述，本文简要地就智能超材料进行了系统性的分类，并扼要地予以论述。基于基础研究、技术发展和新产品研发等方面，对国内外发展状况，进行了科学性的评述。但值得指出的是，智能超材料种类繁多芜杂，未尽之处，在所难免。本文尽最大努力列出智能超材料可能的发展方向，以期为有志深入此领域者，抛砖引玉。

(1)智能光学超材料，在于调控包括太赫兹在内的不同频段电磁波，在未来发展中，可能将更倾向于数学化可编辑控制领域或传感器复合型超材料。之前成熟的超材料技术将有望在实际生产生活及工业化进程中得到广泛的推广和应用。

(2)智能机械超材料，是基于多孔，折纸，五模式等复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料，许多基础研究性的工作尚待开展，尤其是如何将凝聚态物理晶体学领域的传统理论，转化为人工微结构的设计与表征。这些可能是智能机械超材料研究必须考虑的问题。

(3)智能热学超材料，是如何用人工微结构来控制热流和利用热能。这一超材料要么与纳米尺度声子晶体结合，要么与其他物理场耦合，方能真正展示智能热学超材料本身的独创新颖性。

(4)新型的人工原子及微结构单元的设计将在未来超材料设计中占有相当的比重，尤其是目前DNA编码技术和MOF研究的开展，更加有利于地促进人工原子系统理性的设计。

(5)材料制备和仿真技术的基因工程方面，必须清醒地认识到模拟仿真与实验技术的有效互补融合。必须承认数值模拟是对现实世界诸多因素的简化分析，如在机械超材料中的方形折纸技术，数值仿真已证明没有实现的可能，但是在实际实验中，选择更加柔性的材料，利用最简单的操作也完全可以制作出来。因此，在超材料设计数值模拟与实验之间，人所发挥的是不可替代的作用。如何整合现有的模拟和材料制备系统，建立专家式系统化的基因工程，也是超材料设计中必须要应对的迫切问题。

[1]SHELBY R A, SMITH D R, SCHULTZ S. Experimental verification of a negative index of refraction [J]. Science, 2001, 292(5514): 77-79.

[2]VALENTINE J, ZHANG S, ZENTGRAF T, et al. Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index [J]. Nature, 2008, 455(7211): 376-379.

[3]FANG N, LEE H, SUN C, et al. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens [J]. Science, 2005, 308(5721): 534-537.

[4]ZHANG X, LIU Z. Superlenses to overcome the diffraction limit [J]. Nature Materials, 2008, 7(6):435-441.

[5]GANSEL J K, MICHAEL T, RILL M S, et al. Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer [J]. Science, 2009, 325(5947):1513-1515.

[6]PENDRY J B, SCHURIG D, SMITH D R. Controlling electromagnetic fields [J]. Science, 2006, 312(5781): 1780-1782.

[7]LIU R, JI C, MOCK J J, et al. Broadband ground-plane cloak [J]. Science, 2009, 323(5912):366-369.

[8]GENOV D A, ZHANG S, ZHANG X. Mimicking celestial mechanics in metamaterials [J]. Nature Physics, 2009, 5(9):687-692.

[9]彭茹雯，李涛，卢明辉，等. 浅说人工微结构材料与光和声的调控研究[J]. 物理，2012, 41(9): 569-574.

PENG R W, LI T, LU M H, et al. Artifical microstructured materials and manipulation of optical and acoustic waves [J]. Physics, 2012, 41(9): 569-574.

[10]VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of andμ[J]. Physics-Uspekhi, 1968, 10(4): 509-514.

[11]PENDRY J B. Negative refraction makes a perfect lens [J]. Physical Review Letters, 2000, 85(18): 3966.

[12]CUI T J, QI M Q, WAN X, et al. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials [J]. Light: Science and Applications, 2014, 3(10): e218.

[13]GIOVAMPAOLA C D, ENGHETA N. Digital metamaterials [J]. Nature Materials, 2014, 13(12):1115-1121.

[14]LIU X, ZHOU J, LITCHINITSER N, et al. Metamaterial all-optical switching based on resonance mode coupling in dielectric meta-atoms [J]. ArXiv Preprint, 2014, 1412:3338.

[15]WU H Y, ZHOU J, LAN C W, et al. Microwave memristive-like nonlinearity in a dielectric metamaterial[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 5499.

[16]ZHAO Q, ZHOU J, ZHANG F, et al. Mie resonance-based dielectric metamaterials [J], Materials Today, 2009, 12(12): 60-69.

[17]SOUKOULIS C M, WEGENER M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials[J]. Nature Photonics, 2011, 5(9):523-530.

[18]KADIC M, BÜCKMANN T, STENGER N, et al. On the practicability of pentamode mechanical metamaterials [J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(19): 191901.

[19]BÜCKMANN T, THIEL M, KADIC M, et al. An elasto-mechanical unfeelability cloak made of pentamode metamaterials [J], Nature Communications 2014, 5:4130.

[21]阮居祺, 卢明辉, 陈延峰, 等. 基于弹性力学的超构材料[J]. 中国科学: 技术科学, 2014， 44(12): 1261-1270.

RUAN J Q, LU M H, CHEN Y F, et al. Metamaterial based on elastic mechanics [J]. Science China: Technological Sciences, 2014, 44(12): 1261-1270.

[22]GUENNEAU S, AMRA C, VEYNANTE D. Transformation thermodynamics: cloaking and concentrating heat flux [J]. Optics Express, 2012, 20(7): 8207-8218.

[23]沈翔瀛, 黄吉平.热超构材料的研究进展[J]. 物理, 2013, 42(3): 170-180.

SHEN X Y，HUANG J P. Research progress in thermal metamaterials[J]. Physics, 2013, 42(3): 170-180.

[24]徐象繁, 周俊, 杨诺, 等. 人工微结构材料与热的调控[J]. 中国科学: 技术科学, 2015, 45(7):705-713.

XU X F, ZHOU J, YANG N, et al. Artificial microstructure materials and heat flux manipulation [J]. Science China: Technological Sciences, 2015, 45(7): 705-713.

[25]HAN T, BAI X, THONG J T, et al. Full control and manipulation of heat signatures: cloaking, camouflage and thermal metamaterials [J]. Advanced Materials, 2014, 26(11): 1731-1734.

[26]CHEN P Y, ARGYROPOULOS C, ALA. Broadening the cloaking bandwidth with non-foster metasurfaces [J]. Physical Review Letters, 2013, 111(23): 233001.

[27]SATO K, NOMURA T, MATSUZAWA S, et al. Metamaterial techniques for automotive applications [C]//Hangzhou, China: PIERS proceedings, 2008: 1122-1125.

[28]刘若鹏，季春霖，赵治亚，等。超材料：重新塑造与重新思考[J].工程, 2015，1(2): 179-184.

LIU R P, JI C L, ZHAO Z Y, et al. Metamaterials: reshape and rethink [J]. Engineering, 2015, 1(2): 179-184.

[29]刘辉. 微结构材料的材料基因工程[R].南京:南京大学.

LIU H. Gene-engineering of Micro-architected Materials [R]. Nanjing: Nanjing University.

[30]周济. 超材料与自然材料融合的若干思考[J]. 新材料产业, 2014,(9): 5-8.

ZHOU J. Some reflections on the fusion of metamaterials and natural materials [J]. Advanced Materials Industry, 2014, (9): 5-8.

[31]CUI T J, SMITH D R, LIU R. Metamaterials: Theory, Design, and Applications [M]. Boston, MA: Springer-Verlag, 2010.

[32]PITCHAPPA P, MANJAPPA M, HO C P, et al. Active control of electromagnetically induced transparency analog in terahertz MEMS metamaterial [J]. Advanced Optical Materials, 2016, 4:541-547.

[33]GIESSEN H. Nanophotonics: grating games [J]. Nature Photonics, 2008, 2(6): 335-337.

[34]NI X, WONG Z J, MREJEN M, et al. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light [J]. Science, 2015, 349(6254): 1310-1314.

[35]HASAN S B, LEDERER F, ROCKSTUHL C. Nonlinear plasmonic antennas[J]. Materials Today, 2014, 17(10): 478-485.

[36]WANG Z, DONG Z G, GU Y H, et al. Giant photoluminescence enhancement in tungsten-diselenide-gold plasmonic hybrid structures [J]. Nature Communications, 2016, 7:11283.

[37]FANG M, HUANG Z, KOSCHNY T, et al. Electrodynamic modeling of quantum dot luminescence in plasmonic metamaterials [J]. ACS Photonics, 2016, 3(4): 558-563.

[38]GUO R, RUSAK E, STAUDE I, et al. Multipolar coupling in hybrid metal-dielectric metasurfaces [J]. ACS Photonics, 2016, 3(3): 349-353.

[39]PTASINSKI J N, KIM S W, PANG L, et al. Optical tuning of silicon photonic structures with nematic liquid crystal claddings [J]. Optics Letters, 2013, 38(12): 2008-2010.

[40]SVIRKO Y P, ZHELUDEV N I. Polarization of Light in Nonlinear Optics [M]. New York: John Wiley & Sons, 1998.

[41]PREIS S, WIENS A, MAUNE H, et al. Reconfigurable package integrated 20 W RF power GaN HEMT with discrete thick-film MIM BST varactors [J]. Electronics Letters, 2016, 52(4): 296-298.

[42]LI B, WANG F, ZHOU D, et al. Modes of surface premelting in colloidal crystals composed of attractive particles [J]. Nature, 2016, 531: 485-488.

[43]CHEN W J, JIANG S J, CHEN X D, Experimental realization of photonic topological insulator in a uniaxial metacrystal waveguide [J]. Nature Communications, 2014, 5:5782.

[44]ZHANG X Q, XU Q, LI Q, et al. Asymmetric excitation of surface plasmons by dark mode coupling [J]. Science Advances, 2016, 2: e1501142.

[45]CAI W S. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications [M]. New York: Springer, 2010.

[46]MARTIN A, KADIC M, SCHITTNY R, et al. Phonon band structures of three-dimensional pentamode metamaterials [J]. Physical Review B, 2012, 86(15): 4172-4181.

[47]LAYMAN C N, NAIFY C J, MARTIN T P, et al. Highly-anisotropic elements for acoustic pentamode applications [J]. Physical Review Letters, 2012, 111(2):1103-1114.

[48]FAN C Z, GAO Y, HUANG J P. Shaped graded materials with an apparent negative thermal conductivity [J]. Applied Physics Letters, 2008, 92: 251907.

[49]NARAYANA S, SATO Y. Heat flux manipulation with engineered thermal materials [J]. Physical Review Letters, 2012, 108: 214303.

[50]SCHITTNY R, KADIC M, GUENNEAU S, et al. Experiments on transformation thermodynamics: molding the flow of heat [J]. Physical Review Letters, 2012, 110: 195901.

[51]HAN T, BAI X, LIU D, et al. Manipulating steady heat conduction by sensu-shaped thermal metamaterials [J]. Scientific Reports, 2015, 5:10242.

[52]QIU C, GAO D, HAN T, et al. Experimental demonstration of a bilayer thermal cloak [J]. Physical Review Letters, 2014, 112: 054302.

[53]NGUYEN D M, XU H, ZHANG Y, et al. Active thermal cloak [J]. Applied Physics Letters, 2015, 107(12): 121901.

[54]PAINTER O, LEE R K, SCHERER A, et al. Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser [J]. Science, 1999, 284 (5421): 1819-1821.

[55]NODA S, YOKOYAMA M, IMADA M, et al. Polarization mode control of two-dimensional photonic crystal laser by unit cell structure design [J]. Science, 2001, 293(5532):1123-1125.

[56]UNOLD H J, GOLLING M, MICHALZIK R, et al. Photonic crystal surface-emitting lasers: tailoring waveguiding for single-mode emission [J]. ECOC, 2001, 4: 520-521.

[57]ENGHETA N, ZIOLKOWSKI R W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations [M]. Hoboken, NJ: Wiley, 2006.

[58]YI J, BUROKUR S N, DE LUSTRAC A. Conceptual design of a beam steering lens through transformation electromagnetics [J]. Optics Express, 2015, 23(10): 12942-12951.

[59]BHATTACHARYYA S, SRIVASTAVA K V. Triple band polarization-independent ultra-thin metamaterial absorber using electric field-driven LC resonator [J]. Journal of Applied Physics, 2014, 115(6): 064508.

[60]SHALAEV V M, KAWATA S. Nanophotonics with Surface Plasmons [M]. Boston: Elsevier, 2007.

[61]SCHOBER A M, IMESHEV G, FEJER M M. Tunable-chirp pulse compression in quasi-phase-matched second-harmonic generation[J]. Optics Letters, 2002, 27(13): 1129-1131.

[62]MA G, YANG M, XIAO S, et al. Acoustic metasurface with hybrid resonances [J]. Nature Materials, 2014, 13(9):873-878.

[63]XIAO M, MA G, YANG Z, et al. Geometric phase and band inversion in periodic acoustic systems [J]. Nature Physics, 2015,11(3):240-244.

[64]CHENG B, CHEN Z G, ZHANG C L, et al. Three-dimensionality of band structure and a large residual quasiparticle population in Ba0.67K0.33Fe2As2as revealed byc-axis polarized optical measurements[J]. Physical Review B, 2011, 83(14):1498-1504.

[65]XU Y, FEGADOLLI W S, GAN L, et al. Experimental realization of Bloch oscillations in a parity-time synthetic silicon photonic lattice [J]. Nature Communications, 2016, 7： 11319.

[66]LI J, CHEN S, YANG H, et al. Simultaneous control of light polarization and phase distributions using plasmonic metasurfaces [J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(5): 704-710.

[67]董国艳, 毕科, 周济. 具有零相移传输性质的超材料研究[J]. 中国科学, 2014, 44(4): 406-416.

DONG G Y, BI K, ZHOU J. Zero phase delay in metamaterials [J]. Scientia Sinica, 2014, 44(4): 406-416.

[68]SUN J, LITCHINITSER N M, ZHOU J. Indefinite by nature: grom ultraviolet to terahertz [J]. ACS Photonics. 2014, 1(4): 293-303.

[69]MA Y G, LAN L, JIANG W, et al. A transient thermal cloak experimentally realized through a rescaled diffusion equation with anisotropic thermal diffusivity [J]. NPG Asia Materials, 2013, 5: e73.

[70]XU S, XU H, GAO H, et al. Broadband surface-wave transformation cloak [J]. PNAS, 2015, 112(25): 7635-7638.

[71]方振华, 罗春荣, 赵晓鹏. 银树枝左手超材料的反常古斯-汉欣位移[J]. 光学学报, 2015, 35(3): 0316001.

FANG Z H, LUO C R, ZHAO X P. Negative Goos-Hanchen shift of left-handed-metamaterials based on the silver dendritic structure [J]. Acta Optica Sinica, 2015, 35(3): 0316001.

[72]屈绍波，王甲富，马华，等. 超材料设计及其在隐身技术中的应用[M]. 北京:科学出版社, 2013.

QU S B, WANG J F, MA H, et al. Metamaterial Design and Applications in Stealth Technology [M]. Beijing: Science Press, 2013.

Research Advance in Smart Metamaterials

YU Xiang-long, ZHOU Ji

(State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing,School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Metamaterials, man-made materials, enable us to design our own “atoms”, and thereby to create materials with unprecedented effective properties that have not yet been found in nature. Smart metamaterial is one of those that is an intelligent perceptive to the changes from external environments and simultaneously having the capability to respond to thermal and mechanical stimuli. This paper can provide a review on these smart metamaterials in perspective of science, engineering and industrial products. We divide smart metamaterials according to what they are tuning into: optical, mechanical, thermal and coupled smart metamaterials. The rest of two techniques we addressed are modelling/simulation and fabrication/gene engineering. All of these types smart materials presented here are associated with at least five fundamental research: coupled mechanism of multi-physics fields, man-made design for atom/molecular, metamaterials coupled with natural materials, tunability of metamaterials, and mechanism of sensing metamaterials. Therefore, we give a systematic overview of various potential smart metamaterials together with the upcoming challenges in the intriguing and promising research field.

metamaterial; optical metamaterial; mechanical metamaterial; thermal metamaterial; smart coupled metamaterial

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.020

TB34；TB381

A

1001-4381(2016)07-0119-10

国家自然科学基金项目(51532004, 11274198)；博士后项目基金(2015M580094)

2016-04-09；

2016-05-17

周济(1962-)，男，教授，研究方向为超材料，信息功能材料与元件，联系地址：北京市海淀区成府路清华大学材料学院(100084)，E-mail:zhouji@tsinghua.edu.cn